Al-Cu-Li-Mg合金时效中纳米析出相及演变规律研究

发布时间：2019-07-25 19:23

【摘要】：Al-Cu-Li铝合金是重要的轻量化材料之一。具有低密度、高的比强度和弹性模量、优良的低温韧性和疲劳性能以及良好的抗腐蚀性能等优点,因此被广泛应用在飞机和航空航天设备上。在铝合金中每加入1wt.%的Li,合金的密度降低3%,弹性模量提高6%。加入少量的Cu、Mg、Ag等合金元素,经过适当的热处理,在铝基体中会形成大量的纳米尺度的强化相。热处理工艺不同,析出强化相的种类、尺寸、数量会不同,从而导致合金的性能也出现差异。因此,从微观结构方面理解合金的性能变化是至关重要的。然而过去由于表征手段的限制,而且时效早期析出相的尺寸都在1nm左右,所以结构表征难度很大。因此,关于Al-Cu-Li合金中主要强化相的结构及其演变规律的问题尚未完全解决。随着材料表征技术的进步,高分辨率的电子显微镜使得从原子尺度研究合金中析出相的演变规律变得可行,该问题有望得到解决。本文针对Al-4.15Cu~(-1).15Li-0.29Mg(wt.%)铝合金板材,采用新一代球差矫正透射电子显微镜(TEM),结合定量高分辨电子显微学以及高角度环形暗场像(HAADF)等技术,辅以第一性原理计算,系统地研究了合金中主要强化相T_1相的结构及演变规律,并对该合金在单级时效以及引入自然时效的双级时效过程中微观组织、晶内强化析出相的变化情况进行了研究,加深了对工艺和性能之间关系的理解。论文的主要研究内容和结论如下:(1)利用HAADF-STEM和传统的高分辨电镜结合电子衍射技术,系统研究了合金在80℃~200℃单级时效热处理过程中晶内纳米析出相的变化规律,并分析了时效温度不同时纳米析出相的种类及其和显微硬度之间的关系。发现合金在80℃~135℃单级时效过程中,峰值时效状态晶内析出相主要是GP区以及δ′-(GP区)-δ′共生相。GP区主要是单层的富Cu原子层结构,也有少量的两层Cu原子或者两层Cu原子中间一层Al原子或者两层Al原子的结构,并且随着时效温度的升高这两种析出相的直径逐渐增加。145℃峰值时效状态合金晶内除了GP区以及δ′-(GP区)-δ′共生相之外,还有少量的GP_(T1)区析出。165℃、180℃和200℃峰值时效的强化相是δ′-(θ′)-δ′共生相、σ相、GPB和T_1相,过时效状态析出相粗化导致合金的硬度下降。(2)利用HAADF-STEM技术和第一性原理计算对合金在165℃单级时效状态下T_1相的原子结构以及演变规律进行了研究。首次发现在时效过程中存在一种新的亚稳相:T_1相的前驱体,命名为GP_(T1)区。采用先进的原子成像技术(带有Cs-corrected的球差矫正电镜结合HAADF-STEM图像模拟技术)和定量电子显微学测定了T_1相前驱相GP_(T1)区的原子结构。GP_(T1)区与铝基体完全共格,是两层富Cu原子层取代铝基体中的两层Al原子层,形成惯习面为{111}Al的“三明治”结构。其两层富Cu原子层之间的距离为0.466nm,与T_1相两层富Cu层之间的距离(0.495nm)略有不同。GP_(T1)区向T_1相转变的过程分为三步。从GP_(T1)区向T_1相转变过程中各个析出相的形成焓分别为-6.8k J/mol·atom~(-1)、~(-1)9.0k J/mol·atom~(-1)、-21.3k J/mol·atom~(-1)、-32.2k J/mol·atom~(-1),从能量角度证实GP_(T1)区可以转变成T_1相。(3)首次观察到T_1相的一种变体。该变体由沿着T_1相c轴方向两个单胞厚度的T_1相组成,但这两个T_1相并不是并排排列,而是错位112Al/6,并且这两个T_1相之间的距离刚好等于一个(111)Al的面间距。T_1相变体可以独立形核,也可以在T_1相与铝基体界面处形核。采用第一性原理计算方法,计算得出T_1相变体的形成焓为-32.7k J/mol·atom~(-1),说明该变体可以形成。(4)相有两种粗化方式。一是在Li原子适量的区域,T_1相沿着它的c轴方向逐渐增厚。二是在Li原子过剩的区域,为了消耗多余的Li原子,T_1相通过其变体增厚。这两种增厚机制均要经过GP_(T1)区转变为T_1相的过程。(5)采用HAADF-STEM技术和维氏硬度测试方法研究了自然时效对合金微观组织和性能的影响。研究结果表明,自然时效7天对合金的再时效硬度产生负面影响,而自然时效60天产生正面影响,而且在180℃和200℃人工时效之前引入60天的自然时效能够使到达峰值硬度的时间提前,并且峰值硬度保持的更久。自然时效60天的样品再进行180℃时效的析出过程为:GP I+δ′-(GP I)-δ′→GPB+σ+GP_(T1)+S→GPB+T_1+S→T_1+S。自然时效60天的样品再进行200℃时效的析出过程为:GPB+σ+GP_(T1)+S→σ+T_1+S→T_1+S。200℃时效后期,多余的Li原子会在S相与铝基体的界面上发生偏聚,推测这会使S相比σ相更稳定。双级时效过程中主要强化相T_1相也是通过GP_(T1)区形核生长的。
【图文】：

每加入 1wt.%的 Li，合金的密度就会降低 3%，弹性模量可以提高 6%[够使合金在后续时效过程中取得良好的硬化效果[2]。图 1.1 所示为 A元相图，从图中可以看出在 600℃时元素 Li 在 Al 中的溶解度为 4.2w温下 Li 在 Al 中的溶解度却非常小，小于 1wt.%。

对Al-Mg-Li合金三元相图 进行了详细的研究，并且分析了 不同成分g-Li合金的性能，在此基础上，以 и.H.ФUидллHдeU院士为首的材料科学965年成功地研制出01420合金(Al-5.2Mg-2.1Li-0.11Zr)，1967年对该合金规模生产。该合金密度低，属于中等强度铝合金，具有优良的抗腐蚀性能性能，于1970年正式用在舰载机雅克-36上，同时由于该合金具有良好的可在安-124，苏-27，米格-26等战斗机上都得到了大量应用[17]。后来，研究01420合金成分的基础上添加0.17的微量合金元素Sc研制出01421合金，改金的可焊性、强度和热循环载荷等性能[18]。此后, Al-Li合金的研究和应用在国进入了一个相对停滞的时期。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21

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本文编号：2519301